WO2016080071A1 - はんだ付け材料 - Google Patents
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Abstract
はんだを用いて他の部材と接合するはんだ付け材料(1)であって、アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金からなる基材(10)と、基材(10)上に形成された鉄めっき層(20)と、を備えるはんだ付け材料(1)であることが好ましい。前記鉄めっき層(20)の厚みが0.25~5.0μm、前記鉄めっき層(20)のビッカース硬さ(HV)が400以下であることが好ましい。前記鉄めっき層(20)上に錫めっき層(30)をさらに備えることが好ましい。
Description
本発明は、所定の加工が施され又は未加工のまま、少なくとも一部がはんだ付けされる材料であるはんだ付け材料に関する。
電子機器の小型化、高機能化に伴い、電子機器を構成する部材についても高性能化が望まれている。このような電子機器を構成する部材のなかでも、電子機器のコネクタ、ヒートシンク等の放熱器、配線用のバスバー、電子機器の実装基板に使用されるリードフレーム等のはんだによる接合が行われる部材においては、はんだ濡れ性の向上が求められている。
たとえば、特許文献1には、アルミニウム基板の表面に、亜鉛層、ニッケル層及び錫層をこの順で形成することで、はんだ濡れ性を向上させた表面処理板が開示されている。
しかしながら、上記特許文献1に開示された表面処理板では、リフロー方式ではんだ付け等により表面処理板に熱履歴が加わった場合に、表面に錫-ニッケル合金が形成されることで、はんだ濡れ性が低下する場合がある。
本発明の目的は、熱履歴が加わった後にはんだ付けする場合においても、はんだ濡れ性に優れたはんだ付け材料を提供することである。
本発明によれば、アルミニウム等の基材の表面に鉄めっき層を形成することにより、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明によれば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金からなる基材と、前記基材上に形成された鉄めっき層と、を備えるはんだ付け材料が提供される。
本発明のはんだ付け材料において、前記鉄めっき層の厚みが0.25~5.0μmであることが好ましい。
本発明のはんだ付け材料において、前記鉄めっき層のビッカース硬さ(HV)が400以下であることが好ましい。
本発明のはんだ付け材料において、前記鉄めっき層上に錫めっき層をさらに備えることが好ましい。
本発明のはんだ付け材料において、前記錫めっき層の厚みが0.5~2.0μmであることが好ましい。
本発明のはんだ付け材料において、前記錫めっき層上に有機樹脂層をさらに備えることが好ましい。
本発明のはんだ付け材料において、前記鉄めっき層のビッカース硬さ(HV)が400以下であることが好ましい。
本発明のはんだ付け材料において、前記鉄めっき層上に錫めっき層をさらに備えることが好ましい。
本発明のはんだ付け材料において、前記錫めっき層の厚みが0.5~2.0μmであることが好ましい。
本発明のはんだ付け材料において、前記錫めっき層上に有機樹脂層をさらに備えることが好ましい。
本発明によれば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金からなる基材の表面に鉄めっき層を形成するため、熱履歴が加わった後にはんだ付けする場合においても、はんだ濡れ性の低下が抑制されるはんだ付け材料を提供することができる。
以下、図面に基づいて、本発明に係るはんだ付け材料の一実施の形態について説明する。なお、本実施形態のはんだ付け材料とは、所定の加工が施され又は未加工のまま、少なくとも一部がはんだ付けされる材料を示すものである。また、本実施形態では、はんだとは、錫、鉛、ビスマス、銀、アンチモン、銅、インジウム、亜鉛、カドミウム、金などを含む軟ろうをいう。
本実施形態のはんだ付け材料は、はんだ濡れ性に優れるため、所望の外形形状に加工され、電子機器を構成する部材のように少なくとも一部がはんだ付けされる部材として用いられる。電子機器を構成する部材としては、たとえば、電子機器のコネクタ、ヒートシンク等の放熱器、配線用のバスバー、電子機器の実装基板に使用されるリードフレームなどが挙げられる。特に、本実施形態のはんだ付け材料は、熱履歴が加わった際においても、はんだ濡れ性の低下が抑制されるため、リフロー方式のはんだ付けのように、高温にさらされる用途や、倉庫等で長期保管された後にはんだ付けされる用途などに特に有用である。加えて、本実施形態のはんだ付け材料は、長期保管した場合にも表面の黒変が抑制されるため、外観品質に優れたものである。
すなわち、従来における、アルミニウム基板の表面に、亜鉛層、ニッケル層及び錫層をこの順で形成したはんだ付け材料(以下、「従来材料」という。)は、熱が加わることで、表面が黒変するとともに、はんだ濡れ性が低下する傾向にある。
ここで、図1Aは、窒素ガスで満たした電気オーブンに従来材料を入れて、電気オーブンにより加熱を開始し、従来材料の温度がそれぞれ200℃、220℃、230℃、240℃、250℃に到達した時点で取り出したサンプルを撮影した写真である。図1Aに示すように、従来材料は、熱が加わることで表面が黒変する。これは、従来材料を構成する錫層とニッケル層とが、加熱されることで熱拡散して錫-ニッケル合金を形成することに起因すると考えられる。
また、表1は、図1Aに示す従来材料について、メニスコグラフ法によるゼロクロスタイム測定により、Sn-Ag-Cu系のはんだを用いたはんだ濡れ上がり性を評価した結果を示す表である。なお、表1では、ゼロクロスタイムが10秒以上であった場合には「10(濡れず)」と記した。表1に示すように、従来材料においては、未加熱の状態ではゼロクロスタイムが6秒と短いのに対して、従来材料の加熱温度が高いほど、ゼロクロスタイムが長くなり、濡れ上がり性が低下する傾向にある。
また、図1Bは、図1Aに示す従来材料について、X線回折装置(XRD)により、ターゲットとしてCuを用いて測定した結果を示す回折プロファイルであり、横軸は回折角2θ、縦軸は回折強度を示す。なお、図1Bは、従来材料について、未加熱のサンプル、220℃に加熱したサンプル、250℃に加熱したサンプルをそれぞれ測定した結果を示す。図1Bに示すように、従来材料は、加熱温度が高くなるほど、NiSnやNi3Sn4に起因するピークが大きくなっており、錫-ニッケル合金の割合が高くなっていることがわかる。以上により、図1A~図1Bに示す結果から、従来材料は、熱履歴が加わることで、錫層とニッケル層とが熱拡散して錫-ニッケル合金を形成し、これにより、表面が黒変するとともに、従来材料の表面から、はんだとの接合性に優れる錫の存在割合が低下することで、はんだ濡れ性が低下すると考えられる。
さらに、従来材料は、上述したように200℃以上の高温にさらされていない場合においても、倉庫等で長期保管されることで、錫層とニッケル層とが拡散して錫-ニッケル合金を形成する場合がある。図2は、従来材料を温度85℃、相対湿度95%RHの条件で、それぞれ500時間、1,000時間、1,500時間保管して加速劣化試験を行ったサンプルを撮影した写真である。図2に示すように、高温高湿条件で長時間保管したサンプルは、保管時間が長いほど表面が黒変する。これは、保管時間が長くなると従来材料の表面に錫-ニッケル合金が形成されることに起因していると考えられる。
なお、従来材料においては、錫層を厚く形成することで、従来材料に熱履歴が加わった際においても、従来材料の表面までニッケル層が拡散することが防止され、表面の黒変及びはんだ濡れ性の低下が抑制されるが、錫層を厚く形成することでコスト的に不利になる。
これに対し、本実施形態のはんだ付け材料は、上述したように、熱履歴が加わった際においても、はんだ濡れ性の低下及び表面の黒変を抑制することができ、上述したように電子機器を構成する部材として好適に用いることができる。
以下、図3A,図3Bを参照して、本実施形態のはんだ付け材料1の構成について説明する。なお、図3Aは、本実施形態のはんだ付け材料1を示す斜視図であり、図3Bは、図3AのIIIB-IIIB線に沿う断面図である。本実施形態のはんだ付け材料1は、図3Bに示すように、基材10上に、鉄めっき層20及び錫めっき層30をこの順に設けた後、錫めっき層30が形成された面と、錫めっき層30が形成されていない面との両面を有機樹脂層40により被覆して形成される。
<基材10>
本実施形態の基材10としては、アルミニウム系基材又は銅系基材を用いる。アルミニウム系基材としては、特に限定されず、純アルミニウム板や、JIS規格の1000系、2000系、3000系、5000系、6000系、7000系のいずれのアルミニウム合金板などを用いることができるが、なかでも、1100系のH24材が特に好ましい。銅系基材としては、純銅板の他、JIS規格の無酸素銅、タフピッチ銅、リン青銅、黄銅、銅ベリリウム系合金(例えば、ベリリウム2%、残部が銅の合金など)、銅銀系合金(例えば、銀3~5%、残部が銅の合金など)などの銅合金板を用いることができるが、なかでも無酸素銅、タフピッチ銅が特に好ましい。
本実施形態の基材10としては、アルミニウム系基材又は銅系基材を用いる。アルミニウム系基材としては、特に限定されず、純アルミニウム板や、JIS規格の1000系、2000系、3000系、5000系、6000系、7000系のいずれのアルミニウム合金板などを用いることができるが、なかでも、1100系のH24材が特に好ましい。銅系基材としては、純銅板の他、JIS規格の無酸素銅、タフピッチ銅、リン青銅、黄銅、銅ベリリウム系合金(例えば、ベリリウム2%、残部が銅の合金など)、銅銀系合金(例えば、銀3~5%、残部が銅の合金など)などの銅合金板を用いることができるが、なかでも無酸素銅、タフピッチ銅が特に好ましい。
基材10の厚みは、特に限定されず、電子機器の部材としての用途に応じて、適した厚みとすればよく、基材10としてアルミニウム系基材を用いる場合には、好ましくは0.01~2.0mm、より好ましくは0.05~1.2mmである。また、基材10として銅系基材を用いる場合には、好ましくは0.01~2.0mm、より好ましくは0.05~1.0mmである。
<鉄めっき層20>
鉄めっき層20は、基材10上に鉄めっきを施すことにより形成される層である。鉄めっき層20は、直接、基材10上に設けてもよいが、鉄めっき層20を良好に形成するために、予め基材10上に下地層としての亜鉛層を置換めっきによって形成した後、その亜鉛層上に基材10を形成するのが好ましい。
鉄めっき層20は、基材10上に鉄めっきを施すことにより形成される層である。鉄めっき層20は、直接、基材10上に設けてもよいが、鉄めっき層20を良好に形成するために、予め基材10上に下地層としての亜鉛層を置換めっきによって形成した後、その亜鉛層上に基材10を形成するのが好ましい。
下地層としての亜鉛層を形成する方法としては、特に限定されないが、基材10を構成するアルミニウム系基材又は銅系基材について、脱脂処理を行ない、次いで、酸洗した後、必要に応じて亜鉛の置換めっきを行なう方法が挙げられる。亜鉛の置換めっきは、硝酸浸漬処理、第一亜鉛置換処理、硝酸亜鉛剥離処理、第二亜鉛置換処理の各工程を経るダブルジンケート処理を施すことにより行なわれる。この場合、各工程の処理後には水洗処理を実施する。なお、第一亜鉛置換処理および第二亜鉛置換処理により形成される亜鉛層は、鉄めっき層20を形成するための鉄めっきを施す際にわずかに溶解する。亜鉛層は、良好な鉄めっき層20を形成するために、鉄めっき後の状態における皮膜量が、亜鉛量で、好ましくは5~500mg/m2、より好ましくは30~300mg/m2である。なお、亜鉛層の皮膜量は、処理液中の亜鉛イオンの濃度および第二亜鉛置換処理において処理液中に浸漬する時間を適宜選択することで調整できる。また、亜鉛の置換めっきは、硝酸浸漬処理および第一亜鉛置換処理の工程のみを実施するシングルジンケート処理を施すことにより行ってもよい。この際においては、亜鉛層の皮膜量は、処理液中の亜鉛イオンの濃度および第一亜鉛置換処理において処理液中に浸漬する時間を適宜選択することで調整できる。
次いで、亜鉛層の上に鉄めっきを施すことで、鉄めっき層20を形成する。鉄めっき層20は、電気めっき法又は無電解めっき法のいずれのめっき法を用いて形成してもよいが、電気めっき法を用いるのが好ましい。
鉄めっき層20を電気めっき法により形成する場合には、めっき浴としては、硫酸鉄(FeSO4)、塩化鉄(FeCl2)、スルファミン酸鉄(Fe(SO3NH2)2)若しくはホウフッ化鉄(Fe(BF4)2)を用いためっき浴、又はこれらの混合浴などが挙げられ、これらのなかでも、硫酸鉄又は塩化鉄を用いためっき浴が好ましい。
また、鉄めっき層20を無電解めっきにより形成する場合には、鉄-リンめっき浴などを用いることができる。この場合には、形成される鉄めっき層20中のリンの量が多くなり過ぎると、鉄めっき層20の硬度が高くなり得られるはんだ付け材料1の加工性が低下するおそれがあるため、鉄-リンめっき浴中のリンの含有量は1.5g/L以下とすることが好ましい。
本実施形態では、鉄めっき層20は、鉄を主成分とする層であればよく、鉄以外の元素が含まれていてもよい。たとえば、鉄めっきのめっき浴に含まれる成分が鉄めっき層20に取り込まれてもよい。あるいは、基材10上に、鉄めっき層20や錫めっき層30が形成された後で熱が加わった場合には、鉄めっき層20には、基材10を構成する金属や、鉄めっき層20を構成する錫が熱拡散してもよい。なお、本実施形態の鉄めっき層20は、得られるはんだ付け材料1のはんだ濡れ性を向上させると言いう観点より、実質的にニッケルを含まないように形成することが好ましい。
本実施形態では、鉄めっき層20の厚みは、好ましくは0.25~5.0μmであり、より好ましくは0.25~2.0μm、さらに好ましくは0.25~1.0μmである。鉄めっき層20の厚みが薄すぎると、得られるはんだ付け材料1について、はんだ濡れ性を向上させる効果が十分に得られない場合がある。一方、鉄めっき層20の厚みが厚すぎると、厚みを増加させることによる、はんだ濡れ性の向上効果が飽和してしまうため、コスト的に不利となる。
また、鉄めっき層20は、ビッカース硬さ(HV)が、好ましくは400以下、より好ましくは200以下である。鉄めっき層20のビッカース硬さ(HV)を上記範囲とすることにより、得られるはんだ付け材料1を加工性に優れたものとすることができる。すなわち、はんだ付け材料1を折り曲げ加工等する際の加工を容易なものとし、さらに、はんだ付け材料1を加工した際の鉄めっき層20の割れを防止できる。
本実施形態では、基材10上に鉄めっき層20を形成することにより、上述したように、得られるはんだ付け材料1に対して熱履歴が加わった際においても、はんだ濡れ性の低下、及び表面の黒変を抑制できる。
特に、本発明者等は、上述したように、アルミニウム基板の表面に、亜鉛層、ニッケル層及び錫層をこの順で形成した従来材料では、熱履歴が加わると、錫層とニッケル層とが熱拡散して錫-ニッケル合金を形成し、この錫-ニッケル合金に起因して、従来材料が黒変するとともに、はんだ濡れ性が低下するとの知見を得た。そしてこのような知見に基づき、従来材料のニッケル層に代えて、鉄めっき層20を形成することで、得られるはんだ付け材料1について、熱履歴が加わった際においても、はんだ濡れ性の低下及び表面の黒変を抑制できることを見出した。すなわち、基材10上に鉄めっき層20を形成することにより、得られるはんだ付け材料1に熱履歴が加わった場合において、鉄めっき層20の鉄が錫めっき層30に拡散して鉄-錫合金が形成されたとしても、鉄-錫合金に含まれる鉄及び錫は、いずれもはんだとの接合性に優れた材料であるため、結果として、はんだ付け材料1のはんだ濡れ性の低下が防止される。さらに、はんだ付け材料1に熱履歴が加わることで上述した鉄-錫合金が形成された場合においても、鉄-錫合金の色は銀色ないし灰色であるため、はんだ付け材料1の黒変が防止され、はんだ付け材料1は外観品質に優れたものとなる。
そのため、本実施形態のはんだ付け材料1は、熱履歴が加わった際においても、はんだ濡れ性の低下及び表面の黒変が抑制されることから、リフロー方式のはんだ付けのように高温にさらされる用途や、倉庫等で長期保管された後にはんだ付けされる用途などに特に有用である。
<錫めっき層30>
錫めっき層30は、鉄めっき層20上に、錫めっきを行なうことにより形成される。錫めっき層30を施す方法としては、特に限定されず、公知のめっき浴であるフェロスタン浴、MSA浴、ハロゲン浴、硫酸浴などを用いた方法が挙げられる。
錫めっき層30は、鉄めっき層20上に、錫めっきを行なうことにより形成される。錫めっき層30を施す方法としては、特に限定されず、公知のめっき浴であるフェロスタン浴、MSA浴、ハロゲン浴、硫酸浴などを用いた方法が挙げられる。
錫めっき層30の厚みは、好ましくは0.5~2.0μm、より好ましくは0.5~1.0μmである。錫めっき層30の厚みが薄すぎると、得られるはんだ付け材料1のはんだ濡れ性が低下する傾向にある。一方、錫めっき層30の厚みが厚すぎると、厚みを増加させることによる、はんだ濡れ性の向上効果が飽和してしまうため、コスト的に不利となる。
<有機樹脂層40>
有機樹脂層40は、鉄めっき層20及び錫めっき層30が設けられた基材10(以下、「鉄錫めっき基材」という。)の片面又は両面に形成される。上述した図3Bでは、鉄めっき層20及び錫めっき層30が設けられた基材10の両面(すなわち、錫めっき層30が設けられた面と、錫めっき層30が設けられていない面との両面)に有機樹脂層40を形成した例を示す。
有機樹脂層40は、鉄めっき層20及び錫めっき層30が設けられた基材10(以下、「鉄錫めっき基材」という。)の片面又は両面に形成される。上述した図3Bでは、鉄めっき層20及び錫めっき層30が設けられた基材10の両面(すなわち、錫めっき層30が設けられた面と、錫めっき層30が設けられていない面との両面)に有機樹脂層40を形成した例を示す。
有機樹脂層40を形成するための樹脂としては、水系ウレタン樹脂又はロジンを含有させた水系アクリル樹脂などの水系樹脂を用いることが好ましい。
本実施形態では、このような水系樹脂などを含む樹脂液を、上記鉄錫めっき基材に塗布し、乾燥させることで、有機樹脂層40を形成することができる。樹脂液を塗布する方法としては、浸漬法、ロールコート法、カーテンフローコート法、スプレーコート法など、公知の方法を用いることができる。
なお、本実施形態では、上記鉄錫めっき基材の両面に有機樹脂層40を形成する場合には、水系樹脂などを含む樹脂液に鉄錫めっき基材を浸漬させた後、鉄錫めっき基材を絞ることで、鉄錫めっき基材に樹脂液を塗布する方法を用いることができる。これにより、鉄錫めっき基材への樹脂液の塗布を簡便に行うことができ、生産性が向上する。
なお、鉄錫めっき基材に塗布する樹脂液中における水系樹脂の濃度は、好ましくは100~900g/Lである。水系樹脂の濃度を上記範囲とすることで、樹脂液の粘度が適度なものとなり、鉄錫めっき基材に樹脂液を塗布する際の生産性が向上する。
水系樹脂に、ロジンを含有させた水系アクリル樹脂を用いる場合には、ロジンとしては、たとえば、ロジンの主成分であるアビエチン酸分子内のカルボン酸基をアミン塩などにより中和してロジン石鹸としたものを用いることができる。この際には、錫めっき層30などに塗布する樹脂液中のロジンの含有量は、好ましくは50~600g/Lである。樹脂液中のロジンの含有量が少な過ぎると、得られるはんだ付け材料1について、経時後のはんだ濡れ性が低下する傾向にある。一方、樹脂液中のロジンの含有量が多過ぎると、樹脂液が高粘度となり、ゲル化しやすく塗布が困難になる傾向にある。
また、本実施形態では、装飾を目的として、はんだ付け材料1を着色するために、上述した樹脂液に着色顔料を添加してもよい。着色顔料としては、有機系、無機系のいずれも用いることができる。また、着色顔料としては、黒色、白色などの無彩色、赤色、青色、黄色などの彩色の顔料を1種又は2種以上混合して好みの色を発色させたものを用いることができるが、得られるはんだ付け材料1をヒートシンクなどの高い熱放射性が求められる用途に用いる場合には、熱放射性を向上させるという観点より、黒色顔料を用いることが好ましい。
着色顔料を樹脂液に添加する場合には、着色顔料の添加量は、樹脂液に含まれる水系樹脂に対して、好ましくは1~50重量%、より好ましくは3~30重量%である。着色顔料の添加量が少な過ぎると、色調の鮮明性が低下する傾向にある。一方、着色顔料の添加量が多過ぎると、得られるはんだ付け材料1について、経時後のはんだ濡れ性が低下する傾向にある。
また、はんだ付け材料1を着色する場合には、このような着色顔料に代えて、有色のセラミック粉末を用いてもよい。有色のセラミック粉末としては、炭化チタン、窒化チタン、ホウ化チタン、炭化タングステン、窒化モリブデン、又はこれらを2種以上混合してなる混合粉末を用いることが好ましい。
さらに、上記樹脂液には、得られるはんだ付け材料1の耐食性を向上させる観点より、シリカや防錆剤を添加してもよい。樹脂液に添加するシリカとしては、樹脂液への分散性に優れるという観点より、シリカの表面をアルミニウムでコーティングした水分散性シリカが好ましい。シリカの粒径としては、好ましくは100nm以下、より好ましくは60nm以下である。シリカの粒径を上記範囲とすることにより、樹脂液に対する分散性が向上する。
樹脂液にシリカを添加する場合には、樹脂液中におけるシリカの濃度は、好ましくは10~400g/Lである。また、得られるはんだ付け材料1に付着させるシリカの量は、ケイ素の含有量で、好ましくは10~400mg/m2である。シリカの添加量及び付着量が少な過ぎると、はんだ付け材料1の耐食性を向上させる効果が十分に得られない場合がある。シリカの添加量及び付着量が多過ぎると、はんだ付け材料1のはんだ濡れ性や熱伝導性が低下する傾向にある。
樹脂液に添加する防錆剤としては、たとえば、ドデシルアミン、オレオイルイミダゾリン、アミノプロピル牛脂アミン、ロジンアミンなどの有機アミン石鹸を用いることができる。樹脂液に防錆剤を添加する場合には、樹脂液中における防錆剤の濃度は、好ましくは10~100g/Lである。防錆剤の添加量が少な過ぎると、はんだ付け材料1の耐食性を向上させる効果が十分に得られない場合がある。防錆剤の添加量が多過ぎると、はんだ付け材料1のはんだ濡れ性や熱伝導性が低下する傾向にある。
また、本実施形態では、上記樹脂液には、得られるはんだ付け材料1のはんだ濡れ性を向上させる観点より、酸化防止剤を添加してもよい。酸化防止剤としては、硫黄系酸化防止剤、フェノール系酸化防止剤及びリン酸系酸化防止剤が挙げられ、なかでも、フェノール系酸化防止剤及びリン酸系酸化防止剤を単独又は混合して用いるのが好ましい。樹脂液に酸化防止剤を添加する場合には、樹脂液中における酸化防止剤の濃度は、好ましくは0.5~100g/Lである。
本実施形態では、このようにして形成される有機樹脂層40の厚みは、乾燥後の厚みで、好ましくは0.05~10μmである。有機樹脂層40の厚みを上記範囲とすることにより、得られるはんだ付け材料1を、はんだ濡れ性に優れたものとすることができる。
本実施形態のはんだ付け材料1は、以上のように構成される。
なお、本実施形態では、はんだ付け材料1の構成としては、上述した有機樹脂層40を形成することなく、基材10上に鉄めっき層20及び錫めっき層30のみをこの順で形成した構成としてもよい。この場合には、はんだ付け材料1をはんだ付けする際には、錫めっき層30に、直接はんだ付けすることとなる。
あるいは、本実施形態のはんだ付け材料1は、上述した錫めっき層30及び有機樹脂層40を形成することなく、基材10上に鉄めっき層20のみを形成した構成としてもよい。この場合には、はんだ付け材料1をはんだ付けする際には、鉄めっき層20に、直接はんだ付けすることとなる。
本実施形態では、はんだ付け材料1を、基材10上に鉄めっき層20及び錫めっき層30のみをこの順で形成した構成や、基材10上に鉄めっき層20のみを形成した構成とした場合においても、はんだ付け材料1は、上述した鉄めっき層20の作用により、はんだ濡れ性に優れたものとなり、さらに熱履歴が加わった際においても、はんだ濡れ性の低下及び表面の黒変を抑制できる。
なお、本実施形態では、はんだ付け材料1の表面(鉄めっき層20、錫めっき層30又は有機樹脂層40)に、はんだ層を設けてもよい。はんだ層を形成する方法としては、はんだ付け材料1に溶融はんだめっきを施す方法や、はんだ付け材料1にはんだペーストを塗布する方法などが挙げられる。
<はんだ付け材料1の製造方法>
次いで、本実施形態のはんだ付け材料1の製造方法について、説明する。
次いで、本実施形態のはんだ付け材料1の製造方法について、説明する。
まず、基材10を構成するためのアルミニウム系基材又は銅系基材を準備し、基材10上に、鉄めっきを施すことにより鉄めっき層20を形成する。なお、基材10上に鉄めっき層20を良好に形成するために、予め、基材10に、脱脂処理や酸洗処理を行い、必要に応じて上述したダブルジンケート処理又はシングルジンケート処理を施すことにより亜鉛層を形成し、亜鉛層上に鉄めっき層20を形成することが好ましい。この際において、鉄めっき層20は、電気めっき法又は無電解めっき法のいずれのめっき法を用いて形成してもよいが、電気めっき法を用いることが好ましい。
鉄めっき層20を電気めっき法により形成する場合には、次のような方法を用いることができる。たとえば、めっき浴として、硫酸鉄(FeSO4)100~400g/L、硫酸アンモニウム((NH4)2SO4)50~200g/Lのめっき浴を用い、pH2~4、浴温30~90℃、電流密度12~50A/dm2の条件で鉄めっきを施し、その後、水洗する方法を用いることができる。
あるいは、めっき浴として、塩化鉄(FeCl2)100~400g/L、塩化アンモニウム(NH4Cl)50~200g/Lのめっき浴を用い、pH2~3.5、浴温30~90℃、電流密度2~50A/dm2の条件で鉄めっきを施し、その後、水洗する方法を用いることができる。
本実施形態では、鉄めっきを施す際の条件を上記範囲とすることにより、良好に鉄めっき層20を形成できる。特に、鉄めっきを施す際のpHを上記範囲とすることにより、めっき浴中に鉄の化合物が沈殿してしまうことを有効に防止し、鉄めっきを効率よく施すことができる。
次いで、形成した鉄めっき層20上に錫めっき層30を形成する。これにより、基材10上に鉄めっき層20及び錫めっき層30をこの順で設けてなる鉄錫めっき基材が得られる。錫めっき層30を施す方法としては、特に限定されず、公知のめっき浴であるフェロスタン浴、MSA浴、ハロゲン浴、硫酸浴などを用いた方法が挙げられる。
次いで、得られた鉄錫めっき基材の片面又は両面に、有機樹脂層40を形成する。有機樹脂層40は、たとえば、水系ウレタン樹脂又はロジンを含有させた水系アクリル樹脂などの水系樹脂を、鉄錫めっき基材に塗布して乾燥させることで形成される。
以上のようにして、図3A,図3Bに示すように、基材10上に、鉄めっき層20、錫めっき層30及び有機樹脂層40が形成されたはんだ付け材料1が製造される。
本実施形態のはんだ付け材料1は、所望の外形形状に加工することで、電子機器を構成する部材、たとえば、電子機器のコネクタ、ヒートシンク等の放熱器、配線用のバスバー、電子機器の実装基板に使用されるリードフレーム等のはんだによる接合が行われる部材に用いることができる。ここで、図4Aは、本実施形態のはんだ付け材料1を成形加工して製造したヒートシンク2と、ヒートシンク2を用いて放熱する対象である発熱体3とを示す図である。また、図4Bは、図4AのIVB-IVB線に沿う断面図である。
本実施形態では、ヒートシンク2は、図4Bに示すように、基材10の一方の面に、鉄めっき層20、錫めっき層30及びはんだ層50がこの順で形成され、基材10の他方の面に有機樹脂層40が形成されてなる。なお、はんだ層50は、錫めっき層30に溶融はんだめっきを施す方法や、錫めっき層30にはんだペーストを塗布する方法などにより形成できる。
本実施形態のヒートシンク2は、はんだ層50を外側にして、図4Aのように折り曲げられて形成される。そして、ヒートシンク2は、図4Aに示す破線のように、はんだ層50が形成された面から発熱体3上に載置され、発熱体3とともにリフロー炉内で加熱されることで、発熱体3にはんだ付けされる。
以下に、実施例を挙げて、本実施形態についてより具体的に説明するが、本実施形態は、このような実施例に限定されない。
《実施例1》
基材10を形成するための材料として、アルミニウム系基材(A1050、厚さ0.4mm、めっき有効面積80mm×80mm)を準備した。そして、準備した基材10を、アルカリ液(苛性ソーダを濃度20g/Lで溶解させた強アルカリ水溶液)を用いて、液温70℃にて60秒間浸漬させることでアルカリ脱脂し、流水で水洗した。次いで、基材10を硫酸水溶液(濃度70g/L)に20℃で60秒間浸漬させることで酸洗し、水洗した後、下記条件でジンケート処理を行うことで、基材10上に、亜鉛層を亜鉛量で約150mg/m2となるように形成した。なお、亜鉛層の皮膜量は蛍光X線膜厚計により測定した。
ジンケート液:水酸化ナトリウム150g/L、ロッシェル塩50g/L、酸化亜鉛25g/L、塩化第一鉄1.5g/Lを含む水溶液
浸漬温度:20℃
浸漬時間:40秒
基材10を形成するための材料として、アルミニウム系基材(A1050、厚さ0.4mm、めっき有効面積80mm×80mm)を準備した。そして、準備した基材10を、アルカリ液(苛性ソーダを濃度20g/Lで溶解させた強アルカリ水溶液)を用いて、液温70℃にて60秒間浸漬させることでアルカリ脱脂し、流水で水洗した。次いで、基材10を硫酸水溶液(濃度70g/L)に20℃で60秒間浸漬させることで酸洗し、水洗した後、下記条件でジンケート処理を行うことで、基材10上に、亜鉛層を亜鉛量で約150mg/m2となるように形成した。なお、亜鉛層の皮膜量は蛍光X線膜厚計により測定した。
ジンケート液:水酸化ナトリウム150g/L、ロッシェル塩50g/L、酸化亜鉛25g/L、塩化第一鉄1.5g/Lを含む水溶液
浸漬温度:20℃
浸漬時間:40秒
次いで、亜鉛層を形成した基材10について下記条件にて鉄めっきを行い、亜鉛層上に、厚さ0.5μmの鉄めっき層20を形成した。なお、鉄めっき層20の厚みは、集束イオンビーム(FIB)を用いて露出させた断面を観察することにより測定した。
浴組成:硫酸鉄(FeSO4)250g/L、硫酸アンモニウム((NH4)2SO4)120g/Lを含む水溶液
pH:2.5
浴温:60℃
電流密度:10A/dm2
電解時間:20秒
浴組成:硫酸鉄(FeSO4)250g/L、硫酸アンモニウム((NH4)2SO4)120g/Lを含む水溶液
pH:2.5
浴温:60℃
電流密度:10A/dm2
電解時間:20秒
次いで、鉄めっき層20を形成した基材10について、下記条件にて錫めっきを行い、鉄めっき層20上に、厚さ0.5μm(4g/m2)の錫めっき層30を形成することで、はんだ付け材料1を得た。
浴組成:Sn2+イオン20g/L、硫酸50g/Lを含む水溶液
浴温:40℃
電流密度:5A/dm2
電解時間:20秒
浴組成:Sn2+イオン20g/L、硫酸50g/Lを含む水溶液
浴温:40℃
電流密度:5A/dm2
電解時間:20秒
<白色度の測定>
次いで、得られたはんだ付け材料1について、色差計(コニカミノルタ社製、CR-410)を用いて、白色度L*値を測定した。結果を図5に示す。なお、図5には、はんだ付け材料1の外観写真及び白色度L*値の測定結果を示す。
次いで、得られたはんだ付け材料1について、色差計(コニカミノルタ社製、CR-410)を用いて、白色度L*値を測定した。結果を図5に示す。なお、図5には、はんだ付け材料1の外観写真及び白色度L*値の測定結果を示す。
<テープ剥離試験>
さらに、はんだ付け材料1について、錫めっき層30の表面に粘着テープを貼付した後、剥がすことによりテープ剥離試験を実施し、目視にて錫めっき層30の剥離が確認されなかった場合には、評価結果を〇とした。結果を図5に示す。
さらに、はんだ付け材料1について、錫めっき層30の表面に粘着テープを貼付した後、剥がすことによりテープ剥離試験を実施し、目視にて錫めっき層30の剥離が確認されなかった場合には、評価結果を〇とした。結果を図5に示す。
<はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)>
次いで、はんだ付け材料1を所定の大きさに切断したサンプルを用いて、錫めっき層30の表面に、Bi58Sn42のはんだペースト(千住金属工業社製、エコソルダーペーストL20-BLT5-T8F)を、直径5mm、厚み0.25mmとなるように塗布し、ソルダーチェッカ(レスカ社製、SAT-5100)を用いて下記条件で加熱した際におけるはんだ濡れ広がり性を目視で確認した。なお、「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」は、目視にて確認し、はんだがサンプルの全面に濡れ広がっていれば◎、全面でなくともはんだが玉状とならずに濡れ広がっていれば〇として評価した。結果を図6に示す。図6においては、「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」を行った後の外観写真を示す。
加熱条件:室温(25℃)から、昇温速度2℃/sで120℃まで加熱し、120℃で75秒間保持した後、120℃から昇温速度1℃/sで170℃まで加熱し、170℃で5秒間保持した。(なお、150~170℃域での累計時間は25秒間であった。)
次いで、はんだ付け材料1を所定の大きさに切断したサンプルを用いて、錫めっき層30の表面に、Bi58Sn42のはんだペースト(千住金属工業社製、エコソルダーペーストL20-BLT5-T8F)を、直径5mm、厚み0.25mmとなるように塗布し、ソルダーチェッカ(レスカ社製、SAT-5100)を用いて下記条件で加熱した際におけるはんだ濡れ広がり性を目視で確認した。なお、「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」は、目視にて確認し、はんだがサンプルの全面に濡れ広がっていれば◎、全面でなくともはんだが玉状とならずに濡れ広がっていれば〇として評価した。結果を図6に示す。図6においては、「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」を行った後の外観写真を示す。
加熱条件:室温(25℃)から、昇温速度2℃/sで120℃まで加熱し、120℃で75秒間保持した後、120℃から昇温速度1℃/sで170℃まで加熱し、170℃で5秒間保持した。(なお、150~170℃域での累計時間は25秒間であった。)
<接触抵抗値の測定>
次いで、はんだ付け材料1について、接触抵抗測定装置(山崎精機研究所社製、CRS-1)を用いて、試験荷重50gにて接触抵抗値を測定した。結果を図6に示す。
次いで、はんだ付け材料1について、接触抵抗測定装置(山崎精機研究所社製、CRS-1)を用いて、試験荷重50gにて接触抵抗値を測定した。結果を図6に示す。
<リフロー処理後はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Ag-Cu)>
次いで、はんだ付け材料1を15mm×15mmの大きさに切断したサンプルを用いて、はんだ付け材料1について、図7に示す実用上の使用態様を想定して、リフロー処理した後のはんだ濡れ広がり性を評価した。ここで、図7は、はんだ付け材料1に対して、リフローはんだを2回行う場面を示す概要図である。すなわち、図7に示す場面では、はんだ付け材料1に、はんだペースト60aを塗布した後、はんだペースト60a上に、半導体集積回路(IC)などの発熱体3aを載置し、これをリフローすることで、はんだ付け材料1と発熱体3aとをはんだ付けする。次いで、図7に示す場面では、同様に、はんだ付け材料1に、はんだペースト60bを塗布した後、はんだペースト60b上に発熱体3bを載置し、これをリフローすることで、はんだ付け材料1と発熱体3bとをはんだ付けする。これにより、はんだ付け材料1には、リフロー処理により熱履歴が加わることとなる。本実施例では、このような図7に示す使用態様を想定して、上記ソルダーチェッカを用いて、下記条件にて、1回目リフロー処理を行った後、錫めっき層30の表面に、Sn96.5Ag3.0Cu0.5のはんだペースト(千住金属工業社製、エコソルダーペーストM705-GRN360-K2-V)を、直径5mm、厚み0.25mmとなるように塗布し、2回目リフロー処理を行った際におけるはんだ濡れ広がり性を目視で確認した。なお、「リフロー処理後はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Ag-Cu)」は、はんだが玉状とならずに濡れ広がっていれば〇、はんだが玉状になっていれば×として評価した。結果を図8に示す。図8に示す写真は、それぞれリフロー処理前、1回目リフロー処理後及び2回目リフロー処理後のはんだ濡れ広がり性評価後の外観写真を示す。
1回目リフロー処理:室温(25℃)から、昇温速度1.3℃/sで150℃まで加熱し、150℃で120秒間保持した後、150℃から昇温速度1.3℃/sで260℃まで加熱し、260℃で1秒間保持した。(なお、220~260℃域での累計時間は32秒間であった。)
2回目リフロー処理:室温(25℃)から、昇温速度3℃/sで180℃まで加熱し、180℃で90秒間保持した後、180℃から昇温速度2℃/sで240℃まで加熱し、240℃で35秒間保持した。(なお、220~240℃域での累計時間は45秒間であった。)
次いで、はんだ付け材料1を15mm×15mmの大きさに切断したサンプルを用いて、はんだ付け材料1について、図7に示す実用上の使用態様を想定して、リフロー処理した後のはんだ濡れ広がり性を評価した。ここで、図7は、はんだ付け材料1に対して、リフローはんだを2回行う場面を示す概要図である。すなわち、図7に示す場面では、はんだ付け材料1に、はんだペースト60aを塗布した後、はんだペースト60a上に、半導体集積回路(IC)などの発熱体3aを載置し、これをリフローすることで、はんだ付け材料1と発熱体3aとをはんだ付けする。次いで、図7に示す場面では、同様に、はんだ付け材料1に、はんだペースト60bを塗布した後、はんだペースト60b上に発熱体3bを載置し、これをリフローすることで、はんだ付け材料1と発熱体3bとをはんだ付けする。これにより、はんだ付け材料1には、リフロー処理により熱履歴が加わることとなる。本実施例では、このような図7に示す使用態様を想定して、上記ソルダーチェッカを用いて、下記条件にて、1回目リフロー処理を行った後、錫めっき層30の表面に、Sn96.5Ag3.0Cu0.5のはんだペースト(千住金属工業社製、エコソルダーペーストM705-GRN360-K2-V)を、直径5mm、厚み0.25mmとなるように塗布し、2回目リフロー処理を行った際におけるはんだ濡れ広がり性を目視で確認した。なお、「リフロー処理後はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Ag-Cu)」は、はんだが玉状とならずに濡れ広がっていれば〇、はんだが玉状になっていれば×として評価した。結果を図8に示す。図8に示す写真は、それぞれリフロー処理前、1回目リフロー処理後及び2回目リフロー処理後のはんだ濡れ広がり性評価後の外観写真を示す。
1回目リフロー処理:室温(25℃)から、昇温速度1.3℃/sで150℃まで加熱し、150℃で120秒間保持した後、150℃から昇温速度1.3℃/sで260℃まで加熱し、260℃で1秒間保持した。(なお、220~260℃域での累計時間は32秒間であった。)
2回目リフロー処理:室温(25℃)から、昇温速度3℃/sで180℃まで加熱し、180℃で90秒間保持した後、180℃から昇温速度2℃/sで240℃まで加熱し、240℃で35秒間保持した。(なお、220~240℃域での累計時間は45秒間であった。)
《実施例2~4》
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を5秒、10秒、40秒に変化させ、鉄めっき層20の厚みを、それぞれ0.13μm(実施例2)、0.25μm(実施例3)、1.0μm(実施例4)とした以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」及び「接触抵抗値の測定」を行った。結果を図6に示す。
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を5秒、10秒、40秒に変化させ、鉄めっき層20の厚みを、それぞれ0.13μm(実施例2)、0.25μm(実施例3)、1.0μm(実施例4)とした以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」及び「接触抵抗値の測定」を行った。結果を図6に示す。
《比較例1》
鉄めっき層20を形成する代わりに、下記条件にて厚さ0.5μm(4g/m2)のニッケルめっき層を形成した以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」及び「接触抵抗値の測定」を行った。結果を図6に示す。
浴組成:硫酸ニッケル200g/L、塩化ニッケル40g/L、ホウ酸40g/Lを含む水溶液
浴温:40℃
電流密度:5A/dm2
電解時間:30秒
鉄めっき層20を形成する代わりに、下記条件にて厚さ0.5μm(4g/m2)のニッケルめっき層を形成した以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」及び「接触抵抗値の測定」を行った。結果を図6に示す。
浴組成:硫酸ニッケル200g/L、塩化ニッケル40g/L、ホウ酸40g/Lを含む水溶液
浴温:40℃
電流密度:5A/dm2
電解時間:30秒
《考察》
図5に示すように、アルミニウム系基材からなる基材10上に鉄めっき層20を形成した実施例1は、外観の色味が従来材料(アルミニウム基板の表面に、亜鉛層、ニッケル層及び錫層をこの順で形成した材料)である比較例1と同等であり、外観上、従来材料と差異がないことが確認された。また、実施例1は、テープ剥離試験の結果が良好であり、鉄めっき層20及び錫めっき層30の密着性に優れることが確認された。さらに、図6に示すように、アルミニウム系基材からなる基材10上に鉄めっき層20を形成した実施例1~4は、熱履歴が加わる前のはんだ濡れ性が良好であり、かつ接触抵抗値が従来材料と同等であることが確認された。また、図8に示すように、実施例1は、熱履歴が加わった後のはんだ濡れ性も良好であり、加えて、熱履歴が加わった後の表面の黒変が、比較例1より抑制されていることが確認された。
図5に示すように、アルミニウム系基材からなる基材10上に鉄めっき層20を形成した実施例1は、外観の色味が従来材料(アルミニウム基板の表面に、亜鉛層、ニッケル層及び錫層をこの順で形成した材料)である比較例1と同等であり、外観上、従来材料と差異がないことが確認された。また、実施例1は、テープ剥離試験の結果が良好であり、鉄めっき層20及び錫めっき層30の密着性に優れることが確認された。さらに、図6に示すように、アルミニウム系基材からなる基材10上に鉄めっき層20を形成した実施例1~4は、熱履歴が加わる前のはんだ濡れ性が良好であり、かつ接触抵抗値が従来材料と同等であることが確認された。また、図8に示すように、実施例1は、熱履歴が加わった後のはんだ濡れ性も良好であり、加えて、熱履歴が加わった後の表面の黒変が、比較例1より抑制されていることが確認された。
一方、図6に示すように、鉄めっき層20の代わりにニッケルめっき層を形成した比較例1は、得られたはんだ付け材料1について、熱履歴が加わる前のはんだ濡れ性が良好であったものの、図8に示すように、熱履歴が加わった後のはんだ濡れ性が実施例1に劣るものであった。
<塩水噴霧試験>
得られたはんだ付け材料1を、鉄めっき層20が形成された面が張り出すように、90°に折り曲げた後、塩水噴霧試験装置(スガ試験機社製、CYP-90)により、JIS Z 2371に準拠して中性5%塩水にて24時間の塩水噴霧試験を行った。なお、塩水噴霧試験の評価は、90°に折り曲げた部分全体に渡って腐食が発生していなければ合格とし、合格のうち、腐食部分が折り曲げた部分の2/3程度以内であれば〇、腐食部分が折り曲げた部分の2/3程度以上であれば△とした。結果を図9に示す。図9の写真は、塩水噴霧後の外観を撮影したものであり、はんだ付け材料1の白くなっている部分が塩水噴霧による腐食を示す。
得られたはんだ付け材料1を、鉄めっき層20が形成された面が張り出すように、90°に折り曲げた後、塩水噴霧試験装置(スガ試験機社製、CYP-90)により、JIS Z 2371に準拠して中性5%塩水にて24時間の塩水噴霧試験を行った。なお、塩水噴霧試験の評価は、90°に折り曲げた部分全体に渡って腐食が発生していなければ合格とし、合格のうち、腐食部分が折り曲げた部分の2/3程度以内であれば〇、腐食部分が折り曲げた部分の2/3程度以上であれば△とした。結果を図9に示す。図9の写真は、塩水噴霧後の外観を撮影したものであり、はんだ付け材料1の白くなっている部分が塩水噴霧による腐食を示す。
《実施例5》
鉄めっき層20を、硫化鉄を含むめっき浴に代えて、塩化鉄を含むめっき浴により下記条件にて形成した以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図9に示す。
浴組成:塩化鉄(FeCl2・4H2O)100g/L、塩化アンモニウム(NH4Cl)20g/Lを含む水溶液
pH:2.0
浴温:60℃
電流密度:10A/dm2
電解時間:20秒
鉄めっき層20を、硫化鉄を含むめっき浴に代えて、塩化鉄を含むめっき浴により下記条件にて形成した以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図9に示す。
浴組成:塩化鉄(FeCl2・4H2O)100g/L、塩化アンモニウム(NH4Cl)20g/Lを含む水溶液
pH:2.0
浴温:60℃
電流密度:10A/dm2
電解時間:20秒
《実施例6》
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を40秒にし、鉄めっき層20の厚みを1.0μmとした以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図9に示す。
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を40秒にし、鉄めっき層20の厚みを1.0μmとした以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図9に示す。
《実施例7》
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を40秒にし、鉄めっき層20の厚みを1.0μmとした以外は、実施例5と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図9に示す。
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を40秒にし、鉄めっき層20の厚みを1.0μmとした以外は、実施例5と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図9に示す。
《実施例8~10》
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を80秒、200秒、400秒に変化させ、鉄めっき層20の厚みを、それぞれ2.0μm(実施例8)、5.0(実施例9)、10.0μm(実施例10)とした以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図9に示す。
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を80秒、200秒、400秒に変化させ、鉄めっき層20の厚みを、それぞれ2.0μm(実施例8)、5.0(実施例9)、10.0μm(実施例10)とした以外は、実施例1と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図9に示す。
<ビッカース硬度の測定>
次いで、実施例8~10のはんだ付け材料1の鉄めっき層20について、ビッカース硬度計(明石製作所社製、MVK-G2)を用いて、荷重10gにてビッカース硬さ(HV)を測定した。結果を図9に示す。
次いで、実施例8~10のはんだ付け材料1の鉄めっき層20について、ビッカース硬度計(明石製作所社製、MVK-G2)を用いて、荷重10gにてビッカース硬さ(HV)を測定した。結果を図9に示す。
図9に示すように、アルミニウム系基材からなる基材10上に鉄めっき層20を形成した実施例1、5~10は、いずれも耐食性に優れることが確認された。特に、実施例1、5~10によれば、鉄めっき層20を形成するためのめっき浴の浴組成にかかわらず、得られる鉄めっき層20は耐食性に優れることが確認された。なお、図9に示すように、実施例1、5~10によれば、鉄めっき層20が厚くなるほど、表面のビッカース硬さ(HV)の値が高くなるとともに、腐食範囲が拡大していることがわかる。これは、鉄めっき層20が厚くなるほど、鉄めっき層20が硬くなり、その結果、はんだ付け材料1を折り曲げた際に鉄めっき層20が剥離し易くなり、剥離部分の耐食性が低下することに起因すると考えられる。そのため、はんだ付け材料1の鉄めっき層20のビッカース硬さ(HV)は、457以下であることが望ましく、上述したように、好ましくは400以下、より好ましくは200以下である。
《実施例11》
錫めっき層30を形成しなかった以外は、実施例2と同様に、基材10上に亜鉛層及び鉄めっき層20を形成して、はんだ付け材料1を作製し、同様に「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」を行った。評価方法としては、目視にて確認し、はんだが玉状とならずに濡れ広がっていれば〇として評価した。結果を図10の上段に示す。なお、図10上段の写真は、「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」を行った後の外観写真である。
錫めっき層30を形成しなかった以外は、実施例2と同様に、基材10上に亜鉛層及び鉄めっき層20を形成して、はんだ付け材料1を作製し、同様に「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」を行った。評価方法としては、目視にて確認し、はんだが玉状とならずに濡れ広がっていれば〇として評価した。結果を図10の上段に示す。なお、図10上段の写真は、「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」を行った後の外観写真である。
また、得られたはんだ付け材料1を2mm×20mmの大きさに切断した後、高温高湿槽(ESPEC社製、PL-2KP)により温度55℃、相対湿度85%RHの条件で100時間保管することで、加速劣化サンプルを作製した。
そして、得られた加速劣化サンプルについて、上述した方法で「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」を行った。評価方法としては、目視にて確認し、はんだが玉状とならずに濡れ広がっていれば〇、はんだが玉状になっていれば×として評価した。結果を図10の中段に示す。なお、図10中段の写真は、「はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Bi)」を行った後の外観写真である。
<はんだ濡れ上がり性評価(Sn-Ag-Cu)>
また、得られた加速劣化サンプルについて、下記条件にて、メニスコグラフ法によるゼロクロスタイム測定の方法により、濡れ性試験機(マルコム社製、ディップウェッティングテスターSWB-2)を用いて、はんだ濡れ上がり性を評価した。評価方法としては、加速劣化サンプルにおいて、はんだ浴に浸漬させた2mmの深さまではんだが濡れていれば〇とした。結果を図10の下段に示す。なお、図10下段の写真は、「はんだ濡れ上がり性評価(Sn-Ag-Cu)」を行った後の外観写真である。
はんだ浴:Sn96.5Ag3.0Cu0.5のはんだ(千住金属工業社製、M705)
はんだ浴温度:245℃
はんだ浴浸漬深さ:2mm
はんだ浴浸漬速度:20mm/s
はんだ浴浸漬時間:10秒間
フラックス:タムラ製作所社製、EC-19S-8
フラックス浸漬時間:5秒間
また、得られた加速劣化サンプルについて、下記条件にて、メニスコグラフ法によるゼロクロスタイム測定の方法により、濡れ性試験機(マルコム社製、ディップウェッティングテスターSWB-2)を用いて、はんだ濡れ上がり性を評価した。評価方法としては、加速劣化サンプルにおいて、はんだ浴に浸漬させた2mmの深さまではんだが濡れていれば〇とした。結果を図10の下段に示す。なお、図10下段の写真は、「はんだ濡れ上がり性評価(Sn-Ag-Cu)」を行った後の外観写真である。
はんだ浴:Sn96.5Ag3.0Cu0.5のはんだ(千住金属工業社製、M705)
はんだ浴温度:245℃
はんだ浴浸漬深さ:2mm
はんだ浴浸漬速度:20mm/s
はんだ浴浸漬時間:10秒間
フラックス:タムラ製作所社製、EC-19S-8
フラックス浸漬時間:5秒間
《実施例12~14》
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を10秒、20秒、40秒に変化させ、鉄めっき層20の厚みを、それぞれ0.25μm(実施例12)、0.5μm(実施例13)、1.0μm(実施例14)とした以外は、実施例11と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価を行った。結果を図10に示す。
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を10秒、20秒、40秒に変化させ、鉄めっき層20の厚みを、それぞれ0.25μm(実施例12)、0.5μm(実施例13)、1.0μm(実施例14)とした以外は、実施例11と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価を行った。結果を図10に示す。
《比較例2》
錫めっき層30を形成しなかった以外は、比較例1と同様に、基材10上に亜鉛層及びニッケルめっき層を形成して、はんだ付け材料を作製し、実施例11と同様に評価を行った。結果を図10に示す。
錫めっき層30を形成しなかった以外は、比較例1と同様に、基材10上に亜鉛層及びニッケルめっき層を形成して、はんだ付け材料を作製し、実施例11と同様に評価を行った。結果を図10に示す。
《考察》
図10に示すように、アルミニウム系基材からなる基材10上に鉄めっき層20を形成した実施例11~14は、高温高湿環境下で保管した場合でも、はんだが玉状とならずに濡れ広がっており、また、はんだ浴に浸漬させた際に浸漬深さまではんだが濡れたため、はんだ濡れ性に優れることが確認された。これにより、はんだ付け材料1は、錫めっき層30を形成することなく、基材10上に鉄めっき層20のみを形成した構成とした場合においても、はんだ濡れ性が良好であることが確認された。なお、実施例11~14においては、温度55℃、相対湿度85%RHの条件にて100時間保管したサンプルを用いて評価したが、JEITA規格ET-7410によれば、上記温度湿度条件での2,000時間の保管が室温保管5年に相当するため、実施例11~14の上記温度湿度条件での100時間保管は、室温保管3か月に相当すると考えられる。
図10に示すように、アルミニウム系基材からなる基材10上に鉄めっき層20を形成した実施例11~14は、高温高湿環境下で保管した場合でも、はんだが玉状とならずに濡れ広がっており、また、はんだ浴に浸漬させた際に浸漬深さまではんだが濡れたため、はんだ濡れ性に優れることが確認された。これにより、はんだ付け材料1は、錫めっき層30を形成することなく、基材10上に鉄めっき層20のみを形成した構成とした場合においても、はんだ濡れ性が良好であることが確認された。なお、実施例11~14においては、温度55℃、相対湿度85%RHの条件にて100時間保管したサンプルを用いて評価したが、JEITA規格ET-7410によれば、上記温度湿度条件での2,000時間の保管が室温保管5年に相当するため、実施例11~14の上記温度湿度条件での100時間保管は、室温保管3か月に相当すると考えられる。
一方、図10に示すように、鉄めっき層20を形成しなかった比較例2は、得られたはんだ付け材料1について、高温高湿環境下で保管した場合に、はんだが玉状となってしまい、実施例11~14と比較するとはんだ濡れ性に劣るものであった。
《実施例15》
基材10を形成するための材料として、銅系基材(C1100のタフピッチ銅、厚さ0.4mm、めっき有効面積80mm×80mm)を準備した。そして、準備した基材10を、アセトンを染み込ませた紙製のウエスで拭くことで脱脂し、流水で水洗した。次いで、基材10を硫酸水溶液(濃度70g/L)に20℃で60秒間浸漬させることで酸洗し、水洗した後、下記条件で鉄めっきを行い、基材10上に、厚さ0.1μmの鉄めっき層20を形成した。
浴組成:硫酸鉄(FeSO4)250g/L、硫酸アンモニウム((NH4)2SO4)120g/Lを含む水溶液
pH:2.5
浴温:60℃
電流密度:10A/dm2
電解時間:5秒
次いで、鉄めっき層20を形成した基材10について、下記条件にて錫めっきを行い、鉄めっき層20上に、厚さ0.5μm(4g/m2)の錫めっき層30を形成することで、はんだ付け材料1を得た。
浴組成:Sn2+イオン20g/L、硫酸50g/Lを含む水溶液
浴温:40℃
電流密度:5A/dm2
電解時間:20秒
基材10を形成するための材料として、銅系基材(C1100のタフピッチ銅、厚さ0.4mm、めっき有効面積80mm×80mm)を準備した。そして、準備した基材10を、アセトンを染み込ませた紙製のウエスで拭くことで脱脂し、流水で水洗した。次いで、基材10を硫酸水溶液(濃度70g/L)に20℃で60秒間浸漬させることで酸洗し、水洗した後、下記条件で鉄めっきを行い、基材10上に、厚さ0.1μmの鉄めっき層20を形成した。
浴組成:硫酸鉄(FeSO4)250g/L、硫酸アンモニウム((NH4)2SO4)120g/Lを含む水溶液
pH:2.5
浴温:60℃
電流密度:10A/dm2
電解時間:5秒
次いで、鉄めっき層20を形成した基材10について、下記条件にて錫めっきを行い、鉄めっき層20上に、厚さ0.5μm(4g/m2)の錫めっき層30を形成することで、はんだ付け材料1を得た。
浴組成:Sn2+イオン20g/L、硫酸50g/Lを含む水溶液
浴温:40℃
電流密度:5A/dm2
電解時間:20秒
次いで、得られたはんだ付け材料1について、上述した「リフロー処理後はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Ag-Cu)」を行った。なお、リフロー処理後はんだ濡れ広がり性評価(Sn-Ag-Cu)は、はんだが玉状とならずに濡れ広がっていれば〇、はんだが玉状になっていれば×として評価した。結果を図11に示す。図11に示す写真は、はんだ濡れ広がり性評価後の外観写真を示す。
《実施例16,17》
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を10秒、20秒に変化させ、鉄めっき層20の厚みを、それぞれ0.25μm(実施例16)、0.5μm(実施例17)とした以外は、実施例15と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
鉄めっき層20を形成する際の電解時間を10秒、20秒に変化させ、鉄めっき層20の厚みを、それぞれ0.25μm(実施例16)、0.5μm(実施例17)とした以外は、実施例15と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
《実施例18》
錫めっき層30を形成する際の電解時間を40秒にして、錫めっき層30の厚みを1.0μmとした以外は、実施例15と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
錫めっき層30を形成する際の電解時間を40秒にして、錫めっき層30の厚みを1.0μmとした以外は、実施例15と同様に、はんだ付け材料1を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
《比較例3》
鉄めっき層20を形成する代わりに、下記条件にて厚さ0.25μmのニッケルめっき層を形成した以外は、実施例15と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
浴組成:硫酸ニッケル200g/L、塩化ニッケル40g/L、ホウ酸40g/Lを含む水溶液
浴温:40℃
電流密度:5A/dm2
電解時間:15秒
鉄めっき層20を形成する代わりに、下記条件にて厚さ0.25μmのニッケルめっき層を形成した以外は、実施例15と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
浴組成:硫酸ニッケル200g/L、塩化ニッケル40g/L、ホウ酸40g/Lを含む水溶液
浴温:40℃
電流密度:5A/dm2
電解時間:15秒
《比較例4》
ニッケルめっき層を形成する際の電解時間を30秒とし、ニッケルめっき層の厚みを0.5μmとした以外は、比較例3と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
ニッケルめっき層を形成する際の電解時間を30秒とし、ニッケルめっき層の厚みを0.5μmとした以外は、比較例3と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
《参考例1》
錫めっき層30を形成する際の電解時間を40秒にして、錫めっき層30の厚みを1.0μmとした以外は、比較例4と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
錫めっき層30を形成する際の電解時間を40秒にして、錫めっき層30の厚みを1.0μmとした以外は、比較例4と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
《比較例5》
ニッケルめっき層を形成することなく、基材10上に、直接、錫めっき層30を形成した以外は、比較例3と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
ニッケルめっき層を形成することなく、基材10上に、直接、錫めっき層30を形成した以外は、比較例3と同様に、はんだ付け材料を作製し、同様に評価した。結果を図11に示す。
《考察》
図11に示すように、銅系基材からなる基材10上に鉄めっき層20を形成した実施例15~18は、熱履歴が加わった後のはんだ濡れ性が良好であることが確認された。特に実施例15によれば、実施例18と比較して、鉄めっき層20上に形成する錫めっき層30を薄くしたとしても、熱履歴が加わった後のはんだ濡れ性が良好であった。
図11に示すように、銅系基材からなる基材10上に鉄めっき層20を形成した実施例15~18は、熱履歴が加わった後のはんだ濡れ性が良好であることが確認された。特に実施例15によれば、実施例18と比較して、鉄めっき層20上に形成する錫めっき層30を薄くしたとしても、熱履歴が加わった後のはんだ濡れ性が良好であった。
一方、図11に示すように、鉄めっき層20の代わりにニッケルめっき層を形成した比較例3,4は、得られたはんだ付け材料1について、熱履歴が加わった後のはんだ濡れ性が実施例15~18に劣るものであった。なお、参考例1に示すように、鉄めっき層20の代わりにニッケルめっき層を形成した場合でも、ニッケルめっき層上に形成する錫めっき層30の厚みを厚くすることで、熱履歴が加わった後のはんだ濡れ性が向上するが、錫めっき層30を厚く形成することでコスト的に不利になる。また、比較例5に示すように、鉄めっき層20を形成することなく、基材10上に、直接、錫めっき層30を形成した場合にも、熱履歴が加わった後のはんだ濡れ性が実施例15~18に劣ることが確認された。
1…はんだ付け材料
10…基材
20…鉄めっき層
30…錫めっき層
40…有機樹脂層
50…はんだ層
60a,60b…はんだペースト
2…ヒートシンク
3,3a,3b…発熱体
10…基材
20…鉄めっき層
30…錫めっき層
40…有機樹脂層
50…はんだ層
60a,60b…はんだペースト
2…ヒートシンク
3,3a,3b…発熱体
Claims (6)
- アルミニウム、アルミニウム合金、銅又は銅合金からなる基材と、
前記基材上に形成された鉄めっき層と、を備えるはんだ付け材料。 - 前記鉄めっき層の厚みが0.25~5.0μmである請求項1に記載のはんだ付け材料。
- 前記鉄めっき層のビッカース硬さ(HV)が400以下である請求項1又は2のいずれかに記載のはんだ付け材料。
- 前記鉄めっき層上に錫めっき層をさらに備える請求項1~3のいずれかに記載のはんだ付け材料。
- 前記錫めっき層の厚みが0.5~2.0μmである請求項4に記載のはんだ付け材料。
- 前記錫めっき層上に有機樹脂層をさらに備える請求項4又は5に記載のはんだ付け材料。
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